TIMER INTEGRATO IC 555 "The IC Time Machine"

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1 TIMER INTEGRATO IC 555 "The IC Time Machine" Il timer 555 è un circuito integrato (IC) introdotto dalla Signetics nel 1971 per realizzare multivibratori monostabili, astabili ed in generale come generatore di forme d'onda non sinusoidali. Per la versatilità e la facilità d'impiego è diventato in breve tempo il più diffuso tra gli integrati del suo tipo e le sue applicazioni sono innumerevoli. E' un integrato ad 8 piedini ed è alimentato con una tensione singola compresa fra 4,5 V (min assoluto) e 18 V (max assoluto) e assorbe 3 6 ma. I tempi di salita / discesa sono di circa 100 ns. Per sicurezza è bene che V CC sia compresa tra 5 e 15 V Le temporizzazioni hanno accuratezza dell 1% del valore teorico, e una sensibilità alle variazioni di V CC trascurabile (0.1% / V in tal modo le derive dell alimentazione e il ripple hanno scarsa influenza), come anche alla Temperatura (solo 50ppm / C) Lo schema a blocchi, disegnato qui sotto, comprende due comparatori, un flip-flop SR, un transistor funzionante come interruttore e un buffer di uscita. Le soglie dei comparatori sono V AN = 1/3 Vcc e V BN = 2/3 Vcc. La tensione V AN è applicata all'ingresso non invertente (TR) del comparatore 2, detto anche comparatore inferiore o comparatore di trigger. La tensione V BN è applicata all'ingresso non invertente (TH) del comparatore 1, detto anche comparatore superiore o comparatore di soglia (Threshold). L'uscita del comparatore connessa all'ingresso di soglia è connessa all'ingresso SET (S) 1

2 del flip-flop; l'uscita del comparatore di trigger è RESET (R) del flip-flop. L'uscita Q del flip-flop è connessa ad un buffer invertente (uscita) ed alla base del transistor T1 (che funziona come interruttore). Nella tabella seguente riportiamo il funzionamento del 555. Notiamo che la combinazione V(trigger) < 1/3 V CC & V(soglia) > 2/3 V CC che da S R = 1 1 non compare in quanto R ha solitamente la precedenza su S e quindi il FF si resetta comunque ( Q = 1). Però sarebbe da evitare in quanto qualche costruttore potrebbe non aver reso il R prioritario, con la conseguenza di un uscita di valore diverso da marca a marca. L'uscita, in configurazione "totem-pole", è in grado di erogare o assorbire, secondo i dati tecnici, una corrente di 200mA (source e sink) anche se un valore più realistico è di 40mA. La tensione al livello alto è inferiore di circa 0,5Vrispetto a Vcc, mentre a livello basso è di circa 0,1V, per una corrente di sink inferiore a 25mA. Il piedino 4 di reset che agisce come Preset (PR), quando è basso (L => Tensione <0,4V), setta il FF portando l'uscita 3 al livello basso (L) e T1 in conduzione (ON). Il terminale 5 (tensione di controllo) è collegato direttamente al partitore e viene usato in alcune applicazioni per variare dall'esterno la tensione sul partitore e quindi i riferimenti dei comparatori. Quando non è usato, non deve essere lasciato fluttuante, bensì collegato a massa tramite un condensatore di nF il quale, mentre cortocircuita a massa eventuali disturbi captati dal terminale, isola in continua il partitore della massa. Sink = corrente che entra nel pin; Source = corrente che esce dal pin Per poter funzionare correttamente i comparatori richiedono almeno 0.25uA all ingresso, per cui il massimo valore della resistenza R A +R B (vedi dopo) è calcolabile mediante la seguente formula: R A +R B (MAX) = (Vdd - Vcap) / 0.25uA = (Vdd - 2/3Vdd) / 0.25uA = 4/3 V CC [MΩ] Ad esempio, nel caso di alimentazione a 5V, il valore massimo di RA+R B sarà di 2

3 6.6MΩ, mentre a 15V di 20 MΩ. Il produttore consiglia anche di non scegliere una R A inferiore a 5kΩ per poter garantirne il corretto funzionamento, e dichiara inoltre di aver testato valori di capacità da alcuni picofarad a migliaia di microfarad IL 555 COME MONOSTABILE Per poter abilitare il sistema a funzionare come multivibratore monostabile (un solo stato stabile ), si deve completare il circuito con: 1- un partitore resistivo R4-R5 alimentato dalla batteria Vcc, con presa intermedia all'ingresso di trigger piedino numero 2 (V R5 >1/3Vcc); 2- un gruppo RC anch'esso alimentato dalla batteria Vcc, con presa intermedia all'ingresso di soglia (piedino 6 ); 3- un collegamento tra il collettore del transistor T1 ( piedino 7 ) e il terminale di soglia (piedino 6). 3

4 Teniamo presente che la tensione ai capi del condensatore (Vc) è anche la tensione del terminale non invertente del comparatore di soglia, il quale è pilotato all'ingresso invertente da 2/3 Vcc; quando la tensione del condensatore, tendendo a +Vcc, raggiunge 4

5 e supera 2/3 Vcc, il comparatore di soglia porta la sua uscita al livello alto ( S = 1) e quindi manda il flip-flop nella condizione di SET (R = 0; S = 1). Il flip-flop porta la sua uscita Q = 1 (Vo = 0), il transistor si riporta in saturazione, quindi il condensatore si scarica su di esso in un tempo brevissimo, data la bassissima resistenza equivalente offerta dal transistor, di conseguenza il flip-flop si riporta nella condizione S = 0 e R = 0 (stato precedente Vo = 0). Dall'analisi di funzionamento del dispositivo e dei diagrammi si rileva che l'uscita Vo produce un impulso di durata pari al tempo che il condensatore impiega a caricarsi sino a 2/3 Vcc. Diagrammi di funzionamento. Intervenendo sul valore di R e di C è possibile variare la durata dell'impulso entro ampi limiti (10µs < t < 10s). Il tempo di scarica della capacità è praticamente trascurabile. In figura sono riportate le caratteristiche fornite dal costruttore sulla durata dell'impulso in funzione di R e di C. 5

6 Esempio. MULTIVIBRATORE ASTABILE CON 555 Per poter abilitare il sistema a funzionare come multivibratore astabile, si deve completare il circuito integrato con una connessione serie R A, R B, C, alimentata dalla batteria Vcc e con le prese in termedie connesse rispettivamente al collettore del transistor e ai terminali operativi dei comparatori di trigger e di soglia uniti assieme. 6

7 Condizioni iniziali. Vc = 0 V TH = 0 V TR = > Vo = 1 (5V) Supponendo inizialmente il condensatore scarico, il comparatore di trigger pilotato dal terminale non invertente da 1/3 Vcc, ha uscita al livello alto, mentre il comparatore di soglia, pilotato dal terminale invertente da 2/3 Vcc, ha uscita al livello basso. Il filp-flop si trova nella condizione S = 0 R = 1 e porta l'uscita Q = 0, il transistor risulta interdetto e l'uscita Vo è uguale al livello alto (V CC ). In queste condizioni il condensatore è in grado di caricarsi attraverso la resistenza RA+RB, tendendo a +Vcc con costante di tempo (R A +R B )C. Quando Vc supera 1/3 Vcc, il comparatore di trigger cambia stato, portando la sua uscita allo stato basso, quindi il flip-flop si trova nella condizione S = 0 e R = 0, facendo rimanere inalterata l'uscita Q (stato precedente); la capacità continua a caricarsi. Quando la tensione ai capi del condensatore supera 2/3 Vcc, il comparatore di soglia cambia stato portando la sua uscita al livello alto. Il flip-flop si trova nella condizione S = 1 e R = 0, l'uscita Q passa a 1 e il transistor viene portato alla saturazione con l'uscita Vo portata al livello basso. A questo punto il condensatore sarà costretto a scaricarsi attraverso R B e la sua tensione tenderà a diminuire tendendo a 0 con costante di tempo R B C. Quando la tensione scende al di sotto di 2/3 Vcc, il comparatore di soglia cambia stato e porta la sua uscita al livello basso, il flip-flop si trova nella condizione S = 0 e R = 0, il flip-flop mantiene lo stato precedente, Vo continua a essere bassa e il transistor in saturazione. Il condensatore continua a scaricarsi sempre con costante di tempo R B C. Quando la tensione ai capi del condensatore scende sotto 1/3 Vcc il comparatore di trigger cambia stato e porta la sua uscita al livello alto, il flip-flop si trova nella condizione R = 1 e S = 0, la sua uscita cambia stato portando Vo al livello alto e il transistor all'interdizione; re inizia il processo di carica con costante di tempo (R A +R B )C. Il ciclo si ripete e il funzionamento è chiaramente di tipo astabile, come si rivela anche dall'analisi dei diagrammi temporali di figura. Diagrammi temporali dell'astabile 7

8 La tensione ai capi del condensatore fluttua, in modo ripetitivo alterno fra i limiti 1/3 Vcc e 2/3 Vcc secondo le funzioni esponenziali di carica e di scarica date rispettivamente da: Attraverso la formula della carica si ricava t1, tempo in cui l'uscita Vo rimane al livello alto; tramite la formula della scarica si ricava t2, tempo in cui l'uscita rimane al livello basso. La somma t1+t2 fornisce il periodo del segnale generato dal multivibratore astabile. Calcolo di t1 Calcolo di t2 8

9 Calcolo del periodo e della frequenza Come si osserva i due tempi t1 e t2 non sono uguali e l'onda prodotta non è simmetrica; ciò è dovuto alla diversità delle resistenze di carica e di scarica. Duty Cycle Con riferimento ad una uscita dall'andamento periodico si definisce DUTY CYCLE (ciclo di lavoro o ciclo utile) il rapporto tra l'intervallo di tempo in cui, in un ciclo, il segnale si trova al livello logico alto e la durata dell'intero ciclo. 9

10 Spesso il duty cycle viene espresso in percentuale, potendo variare dallo 0 al 100 % (esclusi) Scegliendo quindi R B con un valore sufficientemente grande rispetto ad R A possiamo ottenere un'onda quadra simmetrica con duty cycle circa uguale al 50%. Non è il miglior modo però. Più avanti si vedrà un circuito che consente di scegliere qualunque valore di D Esercizio N.1 Progettare un multivibratore astabile con f =10KHz e D = 50%. 10

11 Esercizio N.2 Progettare un multivibratore astabile con frequenza f = 50KHz e D = 25%. 11

12 Esercizio N.3 Progettare un multivibratore astabile con DUTY CYCLE variabile e FREQUENZA fissa. Con lo schema di figura è possibile variare il duty cycle dell'uscita del 555 funzionante da astabile. I diodi D1 E D2 separano il percorso resistivo della corrente di carica di C da quello della corrente di scarica. 12

13 posizione estrema a destra. Con il cursore del potenziometro in posizione centrale, la resistenza dei due percorsi (CARICA e SCARICA) coincidono (501K) e il duty cycle è pari al 50% (solo se il potenziometro è di tipo lineare). Con il cursore tutto a sinistra la costante di tempo della carica è un millesimo della costante di tempo della scarica e il duty cycle è dello 0,1%. Viceversa il duty cycle è del 99,9% se il cursore si trova nella Esercizio N.4 Progettare un multivibratore astabile con frequenza e duty cycle variabile. La variazione del livello alto deve essere indipendente dalla variazione del livello alto. R1=1K R2=1K P1=10M (lineare) P2=5M (lineare) C=100nF Calcolare: t1 minimo, t1 massimo, t2 minimo, t2 massimo, f minino, f massimo. 13

14 Esercizio N.5 Progettare un astabile capace di generare tre frequenze diverse (f1, f2, f3). Le tre frequenze devono essere selezionate da un deviatore meccanico. 555 COME TRIGGER DI SCHMITT CONTROLLARE SE E COME FUNZIONA NON E CHIARO 14

15 Il 555 può essere utilizzato anche come trigger di Schmitt a soglia variabile e quindi utilizzato per trasformare un segnale sinusoidale in un segnale ad onda quadra; la regolazione dell'ampiezza del segnale sinusoidale varia il dute cycle del segnale ad onda quadra di uscita. In commercio si trova il 556 che contiene due 555 e il 558 che ne contiene quattro, entrambi a 14 pin. Si trova pure la versione a CMOS (anziché a BJT) con sigla 755 ALCUNI SCHEMI APPLICATIVI MATERIALI: LED, 2-inch /8 ohm loudspeaker, 150-ohm 1/4 watt resistor, two 10K ohm 1/4 W resistors, two 1-Mega ohm 1/2 watt resistors, 10 Mega ohm 1/4 watt resistor, 0.1 µf capacitor, and a 0.68µF capacitor 15

16 CIRCUITO DI TEST Per provare se l IC è buono o guasto. Se è buono i LED lampeggiano Pilotaggio di un altoparlante da 2 8 Ω 16

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